煤層氣田地面集輸工藝技術
王熒光
( 中油遼河工程有限公司 遼寧盤錦 124010)
摘 要: 由於煤層氣田“低產、低壓、低滲”和地區地形復雜，相對高差較大的特點，不同程度地加大了工程設計與建設的難度，開采與輸送成本相當較高。如繼續沿用傳統技術和石油天然氣工程相關標準，將無法大幅度降低工程投資、減少操作成本、節省土地，無法實現煤層氣田的效益開發。根據煤層氣田集輸工藝特點，堅持地面與地下充分結合的原則，研究出了壹套先進合理、經濟適用並符合中國煤層氣特點的煤層氣田地面集輸技術 “枝上枝‘閥組布站’”工藝技術。並從集輸半徑、壓縮機的選型、管材的選擇、節能和水力學等方面進行了研究。結果表明新技術的應用極大地改善了流體流動環境，簡化了流程。
關鍵詞: 煤層氣 地面集輸 低壓 低產 低滲 節能
基金項目: 國家科技重大專項項目 39 ( 20092 ×05039) 資助。國家高技術發展項目 “沁南煤層氣開發利用高技術產業化示範工程”資助。
作者簡介: 王熒光，男，工程師，2005 年畢業於遼寧石油化工大學，化學工程與工藝專業，碩士學位，現主要從事石油天然氣工程設計及研究工作。地址: ( 124010) 遼寧省盤錦市興隆臺區石油大街 93 號。電話: ( 0427)7806753，15842701850; E mail: wangyingguang7@ 126. com.
Ground Gathering and Transportation Technology of Coal bed Methane ( CBM)
WANG Yingguang
( PetroChina Liaohe Petroleum Engineering Co. ，Ltd. ，Panjin 124010，Liaoning ，China)
Abstract: Exploitation and construction of CBM field has just started up stage in china. Neither specification nor successful experience can be learnt for design of CBM field yet. It is inevitable that copying indiscriminately the Petrleum Industial Standards leads to increase project investment，which Lowers the whole economic benefit of the CBM field. Technologies of independent Innovation are formed in Panhe CBM field in the South Qinshui basin in accordance with the characteristics of low yield，low pressure，low permeability，relative complicated topography and large height difference，etc. The main contribution includes the following aspects: diamond well spacing，run- ning in tandem between two wells，simple measurement at valve block，gas collection under low pressure，cent ral- ized turbocharged，which is called“multi branch manifold”disposal station to own its special ground const ruc- tion style. The new technology is character by low investment，quick results，convenient for managing and maintai- ning，fewer operators ＆ equipments and less energy consumed，active organization，environmental protection and less land occupation，etc.
Keywords: coal bed methane，ground gathering and transportation，low pressure，low production，low per- meability，energy saving
引言
我國油氣資源短缺，2010年中國天然氣供需缺口達到(210～250)×108m3，而成分、熱值與常規天然氣相似，且資源豐富的煤層氣自然是目前最現實的天然氣接替資源。目前，煤層氣地面已實現大規模商業化開采的國家僅為美國和加拿大，其中美國是煤層氣商業化開發最為成功、煤層氣產量最高的國家。我國由於煤層氣田“低產、低壓、低滲”和地區地形復雜，相對高差較大的地勢特點，如繼續沿用傳統的集輸技術，將無法實現煤層氣田的效益開發，減慢了我國煤層氣產業進入實質性商業化生產的進程。所有這壹切，都說明，要達到煤層氣田高效低成本的規模性開發，實現我國煤層氣工業自主創新的要求，就必須研究出壹套先進的全新工藝技術來指導目前及今後的煤層氣田的地面工程建設。因此根據國內煤層氣資源和開發情況，以實現大幅度降低煤層氣田地面建設工程投資、減少操作成本、節省土地和煤層氣田的效益開發為目標。通過對煤層氣田集輸工藝特點的詳盡分析，堅持地面與地下充分結合的原則，緊緊圍繞煤層氣集輸工藝技術開展大量的創新、研究、比選等工程技術攻關工作，研究出了壹套先進合理、經濟適用並符合我國煤層氣特點的煤層氣田地面集輸技術———“枝上枝'閥組布站'”工藝技術。新技術突破了從我國解放到現在的60多年間標準規範中壹直規定的采氣管道長度不宜大於5km的限制，極大地降低了投資、能耗和操作復雜程度，多項指標均處於國際先進水平。
1 煤層氣地面集輸工藝新技術
1.1 “枝上枝'閥組布站'”工藝技術的原理［1］
圖1“枝上枝'閥組布站'”工藝技術原理圖
1.1 “枝上枝'閥組布站'”工藝技術的原理［1］
“枝上枝'閥組布站'”工藝技術(圖1)是對傳統的布站技術的挑戰，它將集氣計量站改為閥組，而閥組在天然氣集氣幹管與大量采氣支線之間形成了結點，通過這個節點將若幹條采氣管道中的天然氣集中到集氣幹管中。集氣站的外輸管道就像是樹幹，閥組到集氣站的集氣支線就像是樹枝，每壹個閥組又像樹枝上的結點，而所有與結點連接的采氣管道就像是小的樹枝。新技術與傳統技術之間的本質區別在於:傳統技術是用壹個站(有值班間、儀表、電氣、設備、門衛、維修、圍墻及大門等有人值守的站)，把10～20口采氣管道匯集在壹起;新技術是用壹個閥組(通常位於采氣井口周邊，相當於壹個普通管件)把大量的采氣管道匯集在壹起，理論上講，新技術的應用取消了傳統技術中需要建設的無數個有人值守的站，最重要的是極大地簡化了流程和投資。
1.2 “枝上枝'閥組布站'”工藝技術的理論驗證
1.2.1 按允許壓降計算出的采氣半徑
采用國內公認的《油氣集輸設計規範》中規定使用的威莫斯(Weymouth)公式，根據實際壓降計算得:“枝上枝”閥組布站中采氣井口至閥組部分長度8.3km，閥組至集氣站23.5km，采氣管道總長31.8km;傳統布站中采氣管道總長11.3km(圖2)。
圖2 不同布站方式采氣半徑計算示意圖
1.2.2 “枝上枝”閥組布站采氣半徑較傳統布站方式增加的原因分析
(1)閥組布站與傳統分散增壓布站非***有管段的采氣管道長度之比Y/Z的理論推導。管道***有段根據《油氣集輸設計規範》的威莫斯(Weymouth)公式:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
將其兩側平方並變形得到如下公式:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
在本計算中兩種布站方法管道***有段的5033.112(P12－P22)/△ZT可看成常數，因此根據實際計算數據得“枝上枝”閥組布站(d8/3)1/傳統布站(d8/3)2為
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
“枝上枝”閥組布站(1/qv)1/傳統布站(1/qv)2得
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
最後得［(d8/3/qv)1/(d8/3/qv)2］2=(35.63/12)2=8.8，即Y/Z=8.8。
(2)“枝上枝”閥組布站閥組至集氣增壓站采氣管道長度與***有段采氣管道長度之比Y/X的理論推導。
管道***有段根據《油氣集輸設計規範》的威莫斯(Weymouth)公式:
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將其兩側平方並變形得到如下公式:
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在本計算中取決於(d8/3/qv)2與(P12－P22)/T。將實際數據帶入得
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得Y/X=3.3
解方程組:
圖3“枝上枝”閥組布站與傳統分散增壓布站采氣半徑計算示意圖
Y/X=3.3，Y/Z=8.8得(X+Y)/(X+Z)=3.13
即“枝上枝”閥組布站采氣管道長度是傳統分散增壓采氣管道長度的3.13倍。
(3)“枝上枝”閥組布站與傳統的集中增壓布站之間的比較。
圖4“枝上枝”閥組布站與傳統集中增壓布站采氣半徑計算示意圖
管道***有段根據《油氣集輸設計規範》的威莫斯(Weymouth)公式:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
將其兩側平方並變形得到如下公式:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
在本計算中取決於(d8/3/qv)2與(P12－P22)/T。將實際數據帶入得
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得Y/X=3.3。
則得(Y+X)/X=4.3，即“枝上枝”閥組布站采氣管道長度是傳統集中增壓采氣管道長度的4.3倍。
1.3 “枝上枝”閥組布站工藝技術的創新點
(1)新技術極大地簡化了流程。與傳統的三級布站或二級布站相比，壹步簡化成壹級布站;
(2)由節點技術取代了集氣計量站，使得工藝得到實質性的簡化，取消了所有建築、容器設備、值班人員，閥組占地小於井口占地，投資得到大幅度降低，新技術與傳統技術相比投資降低了55%;
(3)采氣半徑由規範規定的小於5km，延長到3倍以上，不僅進壹步簡化了采集氣系統，投資得到進壹步降低，而且產能規模成倍擴大;
(4)新技術使氣田能耗僅為5431.56MJ/104m3，遠低於國內6949MJ/104m3能耗先進指標;
(5)新技術使氣田占地面積由67.8畝減少到42.3畝，減幅達37.6%;
(6)操作人員由63人減少到21人，減幅達66.7%。
1.4 井口集輸工藝
煤層氣井采用排水降壓采氣工藝(圖5)，通過抽油機把地下煤層裏的水從油管裏抽出，直接排放到井場附近的晾水坑，進行晾曬，自然蒸發;煤層氣隨地下水的采出地層壓力降低而不斷的析出，當套管壓力被節流到0.2mPa(G)時，通過采氣管道，進入煤層氣采集系統。
圖5 井口采氣原理示意圖
1.5 集氣閥組工藝
由於目前煤層氣中含水量很少，故閥組不設分離器，既節約了占地又節省了投資。
井口來的煤層氣到達集氣閥組後壓力為0.15MPa(G)，進入集氣閥組的生產匯管，經總計量後進入集氣管道;在集氣閥組設置單井輪換計量，可以根據需要輪換計量每口井的產氣量。每口井的采氣管道在集氣閥組都有放空流程，當采氣管道檢修時，打開放空閥，進入放空匯管，經放空管排入大氣;閥組的總流量以及溫度、壓力參數通過RTU利用無線傳輸系統傳輸至增壓站。生產閥組匯管上設有安全閥，當采、集氣管道壓力達到0.4MPa(G)安全閥起跳，將超壓部分氣體排放至放空管(圖6)。
圖6 閥組工藝原理示意圖
1.6 集中增壓站工藝
在進站匯管上設有緊急關斷和緊急放空閥，當出現事故時立即關閉緊急關斷閥，同時打開緊急放空閥，進入火炬系統。在進、出站煤層氣管道上設有溫度、壓力等參數以及壓縮機的運行等參數進入儀表間的過程控制系統，進行檢測、顯示。在集氣站的外輸管道上設有流量計量裝置，煤層氣的外輸氣量進入儀表間的過程控制系統，進行檢測、顯示。在壓縮機的進、出口分離器設有液位計及液體自動排汙裝置，進入儀表間的過程控制系統，進行檢測、顯示(圖7)。
圖7 集氣增壓站工藝流程示意圖
2 煤層氣田地面集輸其他配套技術
2.1 互換式煙氣節能轉換技術研究［2］
對燃氣發電機的廢熱利用是通過煙氣采集、廢熱鍋爐換熱，再配以驅動泵，讓水在換熱系統中循環來吸收煙氣熱能這壹途徑來達到廢熱利用的目的。完成換熱後的熱水或者水蒸汽用來采暖或者做功，其實質就是提高燃氣的利用率，以達到節約燃氣的目的。
互換式煙氣節能轉換系統主要由兩部分組成。第壹，采熱裝置:熱交換器。第二，動力設備:循環水驅動泵(如果集氣站比較大，可增設能量轉換裝置，如蒸汽發電機及乏汽回收裝置冷凝塔)。將上述設備利用管路連接，循環水在其間循環流動，構成廢熱利用系統。完成熱交換後的煙氣還可以送入吸收式空調(溴化鋰空調)，完成供暖或制冷。
發動機煙氣和循環水同時通過熱交換器，進行熱交換，達到溫度要求後的循環水在動力泵的作用下進入循環，提供采暖和生活用水，在水源缺乏的地區，廢水回收處理後可進入系統進行循環利用。換熱器內設有換熱管，水在換熱管內循環，發動機排放的煙氣通過換熱管間隙，在對流過程中完成換熱，對煙氣的熱能進行利用。
2.2 煤層氣增壓設備的優選［2］
壓縮機的種類有很多、分類的方法各異，按工作原理的不同可分為兩大類:容積式壓縮機和速度式壓縮機。在容積式壓縮機中，氣體壓力的提高是由於壓縮過程中氣體的體積密度增加所造成的;而速度型壓縮機是先使氣體在動力作用下達到很高的速度(動能)，然後在擴散器中急劇降速，使氣體的動能轉化為壓力能(勢能)，提高被壓縮氣體的動力。在煤層氣礦場集輸中，壹般經常采用的是容積型的往復式壓縮機或速度型的離心式壓縮機。
2.2.1 壓縮機的比較
從表1可以看出，往復式壓縮機與離心式壓縮機相比，其特點為:
(1)壓力適用範圍廣:從低壓到超高壓都可適用，目前工業上使用到350MPa，實驗室中使用的壓力更高。
(2)效率高:由於活塞兩側高、低壓流體間的密封性好，往復式壓縮機的效率比離心式壓縮機高得多。
(3)適應性強:往復式壓縮機的排氣量可在大範圍內變動，氣體的密度變化對壓縮機工作的影響不如速度型的顯著，對負荷變動和氣質變化的適應能力都強。
目前煤層氣礦場增壓的處理量小，壓比波動幅度大，因此多采用往復式壓縮機。為了適應礦場的實際工作環境的條件，以天然氣為燃料，由燃氣發動機提供的壹體化活塞式壓縮機組在礦場增壓中得到了廣泛應用。
表1 壓縮機優缺點對比表
2.2.2 壓縮機原動機的比較
在煤層氣田上使用的往復式壓縮機，以燃氣發動機和電動機為驅動力為宜。
最終采取何種驅動方式應作技術經濟對比後才能確定。方案對比應包括設備自身投資、供電線路投資、管理方便等方面。如果外供電條件好，應優先選用電機驅動，電機驅動具有操作簡單、管理方便的優點。燃氣驅動更適用於無外供電條件或外供電條件差的情況(表2)。
表2 壓縮機機驅動方式綜合對比表
2.3 管道材質的選用［3］
由於煤層氣井產出的煤層氣節流後的壓力為0.2MPa(最大0.4MPa)、溫度≤20℃，因此，合理的選用采氣管道的材料對降低工程造價，提高施工速度起著關鍵的作用，根據目前生產實際情況，采用PE管道和鋼制管道在技術上均是可行的。我們在經濟上對兩種管道材料進行了對比，由PE管、鋼管管道投資對比表及管徑與管道總投資關聯曲線看出，當采、集氣管道的公稱直徑DN≤250，采用PE管道材料等級為PE100更為經濟，當公稱直徑DN>300采用鋼制管道更為經濟。
2.4 水力學計算的優化選擇
(1)根據大量研究數據發現，由於油氣集輸設計規範(GB503502005)中所用Weymouth公式的管內壁粗糙度較大(0.0508mm)，且忽略了管線起伏變化過程中壓降的加速成分，因此，計算結果較保守。同時，由於管道使用壹段時間後，其粗糙度較新管道越來越大，計算結果也會較符合實際情況。
(2)對於計算軟件，PIPELINESTUDIO是專業計算調峰和水擊計算的，其優勢是動態分析，盡管內部具有壓降計算方法，但方法有限，且有使用限制。而PIPEPHASE是專業進算管道壓降，段塞流和水合物的軟件，內置公式較多，通用性較強，且具有經過大量工程驗證的校正系數，故本研究最終確定選用PIPEPHASE作為煤層氣田水力學計算軟件。
(3)對於水力學計算方法，根據上述對比表明Mukherjee-Brill，Dukler-Eaton，Beggs，Brill ＆ Moody，Beggs ＆ Brill計算結果壹樣，均可作為煤層氣田的水力學計算方法。但使用過程建議首選Beggs，Brill ＆ Moody公式，因為其具有經大量工程驗證和被行業普遍采用的管道起伏校正因子，可使結果更接近實際情況，其次在不知道選擇何種計算方法時可以選擇Mukherjee-Brill，因為該方法適合使用到山區地形變化起伏的管道上，該水力學計算方法是唯壹適合所有流體構造的計算流體狀態的模型。
3 煤層地面集輸工藝技術的應用效果
3.1 應用情況
“枝上枝'閥組布站'”工藝技術已應用推廣到我國兩大煤層氣產業基地建設中，如:沁南煤層氣開發高技術產業化示範工程、山西沁水盆地南部煤層氣直井開發示範工程、山西柿莊南項目2011年集輸系統、柿莊南區塊總體開發規劃、鄂東氣田韓城區塊5億產能建設工程、韓城市煤層氣集輸工程(二期)。推廣速度較快，推廣範圍較大。其中“十壹五”期間國家重大科技專項示範工程項目———沁南煤層氣開發高技術產業化示範工程於2009年9月28日全部建成，壹次投產成功，年創收入1.6億元，經濟效益顯著。通過實際生產運行，各項參數均表明:該工程所采用的“多點接入，柔性集輸”地面集輸工藝技術已達到國際水平，為國內今後煤層氣田的大規模開發提供了良好的經驗，同時也對大型天然氣氣田的開發建設有著十分重要的指導意義。
3.2 經濟效益
沁南煤層氣開發高技術產業化示範工程及韓城市煤層氣集輸工程(二期)分別於2009年和2010年建成投產。沁南煤層氣開發高技術產業化示範工程年創收入1.6億元，應用新技術後，節省工程投資1.97億元，使建設工期提前了6個月，提前投產帶來的銷售收入達0.8億元。韓城市煤層氣集輸工程(二期)應用新技術後節省工程投資0.08億元，使建設工期提前了3個月，提前投產帶來的銷售收入達0.063億元。
4 結論
煤層氣“枝上枝'閥組布站'”工藝技術地面技術工藝技術就在經濟和社會效益中取得如此成效，其技術優勢特別明顯［4］，為煤層氣田實現規模化開發提供了技術保障，在具有明顯的經濟效益的同時，具有顯著的社會效益。此外，煤層氣田及頁巖氣田在我國屬於剛剛起步階段。煤層氣田資源總量約為31.46×1012m3，與陸上常規天然氣資源量相當;頁巖氣田在我國分布廣泛，總資源量可達100×1012m3，相當於天然氣儲量的3倍。“枝上枝'閥組布站'”工藝技術完全可以在上述各類氣田開發建設中發揮作用，應用前景十分廣闊。
參考文獻
［1］裴紅，劉文偉.2010.“枝上枝”集輸工藝在大型低滲、低產天然氣田及煤層氣田建設中的應用，石油規劃設計，21(2)，12～15
［2］王熒光，裴紅，劉文偉等.2010.煤層氣田地面集輸技術研究.遼寧:中油遼河工程有限公司(研究報告)
［3］裴紅，劉文偉.2008.煤層氣集輸工程設計思想及在潘河項目中的實踐.北京:2008年煤層氣學術研討會論文集
［4］王熒光.2009.蘇裏格氣田蘇10井區地面建設優化方案，天然氣工業，29(4)，89～92